JP2022068395A - 金属条材の曲げ加工装置および曲部を有する金属条材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な制御で高精度の曲げ加工を可能とすると共に装置を小型化する。【解決手段】金属条材１の軸線方向の小区間を局部的に加熱する加熱装置１２と、金属条材の加熱装置による加熱部が曲げ変形された直後に冷却する冷却装置と、金属条材を加熱装置に対し軸線方向に相対移動させる推進装置２１と、金属条材の加熱装置による加熱部より進行方向の先端側を把持するクランプ１５を有すると共に旋回支軸１４を中心として旋回可能な曲げアーム１３とを有する曲げ加工装置で、クランプは、金属条材を旋回支軸に平行な軸１６回りに回転可能に把持し、前記曲げ加工装置は、推進装置により金属条材を加熱装置に対し相対移動させるときに同時に曲げアームの旋回支軸を金属条材の軸線方向に平行な方向へ移動させることが可能なアーム支軸移動装置３１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、金属条材の曲げ加工装置および曲部を有する金属条材の製造方法に係り、特に、鋼管などの金属条材を連続的に曲げ加工する技術に関する。

石油やガス・各種液体などの流体を搬送するパイプとしてプラントや工場、発電所などの産業施設において、あるいは橋梁やスタジアム屋根など土木建築物の骨組構造材として金属条材が今日広く用いられている。これら金属条材のひとつである金属管（本発明の対象部材は管に限られないが、以下、典型的な態様として管を例にとって説明する）は、規格化され予め所定形状になされた管、すなわち直管又はエルボ・ベンド等の異形管が使用される一方で、施工対象に応じて直線状の管を曲げ加工した管（以下「曲げ管」と言う）も様々な曲率や管路形状への要求に柔軟に対応できることから広範に使用されている。

かかる曲げ管を製造する加工装置は、一般に、加工対象である金属管の軸線方向の小区間を環状に加熱する誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルに向け金属管を推進させる推進装置と、金属管を把持し支軸を中心として旋回することにより金属管の進路を弧状に規制するクランプアーム（「曲げアーム」又は単に「アーム」とも言う）とを備えている。

加工にあたっては、クランプアームによって金属管の誘導加熱コイルより前端側（管先端側）を把持しながら誘導加熱コイルに向けて金属管を押し進める。クランプアームは、金属管の推進に伴い支軸を中心として旋回するが、これにより誘導加熱コイルによる金属管の加熱部に曲げモーメントが加わり、当該金属管を連続的に塑性変形させて弧を描くように曲げることが出来る。

また、このような金属条材の曲げ加工方法を開示するものとして下記特許文献がある。

特開２００２－１２００１９号公報

ところで、従来の曲げ加工装置では、一般に曲率半径の大きな曲げ管を製造しようとすればその分長いアームを備える必要があり、このため、アームの撓みや旋回時のずれが大きくなり、加工精度を向上させることが難しいという問題がある。

一方、前記特許文献１に記載の方法によれば、曲げアームの旋回支軸を移動することで比較的短いアームによっても曲率半径の大きな曲げ加工を行うことができ、様々な曲率や加工形状に柔軟に対応することも可能である。しかしながら、当該文献記載の方法では、曲げの進行と同時にアームの支軸をＸ軸とＹ軸の双方向に動かす必要があり、制御が複雑となる面がある。また当該文献記載の装置は、Ｘ軸台車移動装置７とＹ軸台車移動装置８を備えるから装置が大型化し、広い設置スペースが必要となる難もある。

したがって、本発明の目的は、従来に比べ簡易な制御で高精度の曲げ加工を可能とするとともに、曲げ加工装置を小型化することにある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係る金属条材の曲げ加工装置は、加工対象である金属条材の軸線方向の小区間を局部的に加熱する加熱装置と、金属条材の加熱装置による加熱部が曲げ変形された直後に当該加熱部を冷却する冷却装置と、金属条材を加熱装置に対し軸線方向に相対移動させる推進装置と、金属条材の加熱装置による加熱部より進行方向の先端側を把持するクランプを有するとともに、旋回支軸を中心として旋回可能な曲げアームとを有する金属条材の曲げ加工装置である。

また上記クランプは、金属条材を旋回支軸に平行な軸回りに回転可能に把持する。さらに上記曲げ加工装置は、推進装置により金属条材を加熱装置に対し相対移動させるときに同時に曲げアームの旋回支軸を金属条材の軸線方向に平行な方向へ移動させることが可能なアーム支軸移動装置を備えている。

なお、本願では、曲げ加工の開始時点における曲げアームの旋回支軸の位置を原点とする、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる三次元直交座標を想定し、曲げアームの旋回支軸をＺ軸とするとともに、旋回支軸の移動方向をＹ軸とし、Ｘ軸とＹ軸を含む平面内で上記曲げ加工を行うものとする。また、金属管の推進方向、すなわち推進装置から誘導加熱コイルに向かう方向（曲げ変形前の金属管の軸線方向）とＹ軸（旋回支軸の移動方向）とは互いに平行になる。

本発明の曲げ加工装置では、上記アーム支軸移動装置が推進方向に平行な方向（Ｙ軸方向）に曲げアームの旋回支軸（初期位置ではＺ軸に一致）を移動させるが、この移動速度を制御することにより所望の曲率半径の曲げ管を作製することが可能となる。

特に、曲率半径の大きな曲げ管を製造する場合であっても、アームの旋回支軸を移動させることにより短いアームで行うことが出来るから、加工中のアームの撓みや旋回ずれによる影響を回避ないし低減し、加工精度を向上させることが可能となる。なお、より具体的な加工方法については、後に図面を参照しながら実施形態において詳しく述べる。

また本発明では、旋回支軸の移動制御が一方向（Ｙ軸方向）だけであるから、二方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）を制御する場合と比べて制御を単純化することが出来る。

本発明の好ましい態様では、前記推進装置と前記アーム支軸移動装置とを一体に構成する。曲げ加工装置を小型化し、小さなスペースでも設置できるようにするためである。

また前記アーム支軸移動装置は、金属条材を一定の方向に曲げるために典型的には、推進装置による金属条材の相対移動速度（「推進速度」と言うことがある）Ｖａより遅い速度（「支軸移動速度」と言うことがある）Ｖｂでアームの旋回支軸を軸線方向に平行な方向（Ｙ軸方向）へ移動させるが、推進速度Ｖａと支軸移動速度Ｖｂは、例えば曲率半径の大きな曲げ加工や、曲率半径を部分的に異ならせる加工等を行うために常に一定値とは限らず、加工中に様々に変更することがある。さらに支軸移動速度Ｖｂは、ゼロ（つまり停止）およびマイナス（つまり逆方向への移動）とする場合もある。

また本発明では、旋回支軸を中心とした曲げアームの旋回を促進する回転力および当該曲げアームの旋回を抑制する制動力のいずれか一方または双方を付与可能なアーム旋回駆動装置を曲げアームの基端部にさらに備えても良い。金属条材に加わる曲げモーメントを増大させ或いは低減させることを可能とし、よりきめ細かい加工制御が出来るようにするためである。

また同様の理由から、金属条材のクランプによる把持部に旋回支軸に平行な軸回りの回転力および制動力のいずれか一方または双方を付与可能なクランプ回転駆動装置を曲げアームの先端部に備えても良い。

さらに、本発明に係る曲部を有する金属条材の製造方法は、本発明に係る前記曲げ加工装置と同様の特徴を備えたものである。

具体的には、当該製造方法は、加工対象である金属条材の軸線方向の小区間を加熱装置で局部的に加熱するとともに金属条材を加熱装置に対し軸線方向に相対移動させ、同時に金属条材の加熱装置による加熱部より進行方向の先端側を、旋回支軸を中心として旋回可能な曲げアームにより把持することにより、金属条材に曲げモーメントを付与して加熱部を旋回支軸に直角な（旋回支軸と直交する）平面内で曲げ変形させ且つ直後に冷却する、曲部を有する金属条材の製造方法であって、曲げアームによる金属条材の把持を、旋回支軸に平行な軸回りに金属条材が回転できるように行うとともに、金属条材の軸線方向への相対移動と同時に旋回支軸を、金属条材の軸線方向への相対移動速度より小さい速度で前記軸線方向に平行な方向へ移動させる。

本発明によれば、従来に比べ簡易な制御で高精度の曲げ加工を可能とするとともに、曲げ加工装置を小型化することが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基いて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置を模式的に示す平面図である。 図２は、前記実施形態に係る曲げ加工装置の曲げアームを示す斜視図である。 図３は、前記実施形態に係る曲げ加工装置による第一の加工例を示す平面図である。 図４は、前記実施形態に係る曲げ加工装置による第二の加工例を示す平面図である。 図５は、前記実施形態に係る曲げ加工装置による加工状態を示す概念図である。 図６は、前記実施形態に係る曲げ加工装置による第三の加工例を示す平面図である。

〔装置構成〕
図１および図２を参照して本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置を説明する。なお、各図中には、前後左右の各方向を表す二次元直交座標または前後左右上下の各方向を表す三次元直交座標、ならびに、曲げアームの支軸を原点とするＸ－Ｙ－Ｚ三次元直交座標（図１ではＺ軸は紙面に直交する）示し、これらの方向に基いて説明を行う。

図１に示すように本発明の一実施形態に係る曲げ加工装置１１は、加工対象である金属管１の軸線１ａ方向の小区間を加熱する誘導加熱コイル１２と、誘導加熱コイル１２により加熱された小区間が曲げ変形された直後に当該小区間を冷却する冷却装置（図示せず）と、誘導加熱コイル１２に向けて前方へ（Ｙ軸と平行に）金属管１を押し進める推進装置２１と、誘導加熱コイル１２による金属管１の加熱部の前側を把持するクランプ１５を先端に備えるとともに支軸１４（Ｚ軸）を中心としてＸ－Ｙ平面内で旋回する曲げアーム１３と、曲げアーム１３の支軸１４を前後方向（Ｙ軸方向）へ移動する支軸移動装置３１と、推進装置２１を駆動する推進駆動部（推進駆動回路）２５と、支軸移動装置３１を駆動する支軸駆動部（支軸駆動回路）３５と、これら推進駆動部２５および支軸駆動部３５を制御する制御部４１とを備えている。なお、図２以降では推進駆動部２５、支軸駆動部３５および制御部４１は図示を省略する。

制御部４１は、推進駆動部２５を介して推進装置２１による金属管１の推進速度Ｖａを、また支軸駆動部３５を介して支軸移動装置３１による支軸１４の移動速度Ｖｂをそれぞれ制御する。また、クランプ１５は、Ｚ軸と平行な軸１６回りに回転自在に（曲げ加工の進行に伴って自由に回転できるように）曲げアーム１３の先端部に備えてある。

推進装置２１は、金属管１の後端部を把持する推進アーム２２ａを備えるとともに金属管１の軸線１ａと平行に延びる推進ロッド２２と、推進ロッド２２を前方へ移動させる推進装置本体部２３とを有する。推進装置本体部２３は、動力源であるモータ２４と、モータ２４により回転されるピニオン（図示せず）と、ピニオンと噛み合ってモータ２４の動力を推進ロッド２２に伝達するラック（図示せず）とを備える。

また支軸移動装置３１は、金属管１の軸線１ａと平行に延びて曲げアーム１３の支軸１４と連結された支軸移動ロッド３２と、支軸移動ロッド３２を前後方向へ移動させる支軸移動装置本体部３３とを有する。支軸移動装置本体部３３は、前記推進装置本体部２３と同様に、動力源であるモータ３４と、モータ３４により回転されるピニオン（図示せず）と、ピニオンと噛み合ってモータ３４の動力を支軸移動ロッド３２に伝達するラック（図示せず）とを備える。

なお、支軸移動装置３１は、支軸１４を前方だけでなく、例えばモータ３４を逆回転させることにより後方へ移動させることも可能である。また、本実施形態では曲げ加工装置１１を小型化するため、推進装置２１（推進装置本体部２３）と支軸移動装置３１（支軸移動装置本体部３３）を一体化してある。

本実施形態の曲げ加工装置によれば、次のような曲げ加工を行うことが出来る。

〔加工例１〕
図３は、前記図１に示した初期状態から支軸移動装置３１を駆動することなく、推進装置２１のみを駆動して曲げ加工を行った例を示すものである。この場合、金属管１の曲率半径ｒ１は、曲げアーム１３の長さ（支軸１４の回転中心からクランプ１５の中央部までの距離）Ｌと等しくなる。

〔加工例２〕
これに対して図４は、図１に示した初期状態から推進装置２１に加えて支軸移動装置３１を駆動し、曲げアーム１３の旋回支軸１４を前方（Ｙ軸方向）へ移動しながら曲げ加工を行った例を示すものである。すなわち、金属管１を推進装置２１により一定の速度Ｖａで前方（Ｙ軸に平行な方向）へ押し進めると同時に、支軸移動装置３１により曲げアーム１３の旋回支軸１４を推進速度Ｖａより小さな速度Ｖｂで前方（Ｙ軸方向）へ移動する。これにより、図３に示した前記加工例（曲率半径ｒ１）より大きな曲率半径ｒ２の曲げ管１を製造することが出来る。

この点につき図５を参照してさらに説明すると、図５は曲げ管の軸線を示す線図で、図中の符号５１ａは前述した加工例１（図３）の曲げ管の軸線を、符号５２ａは軸線５１ａより曲率半径の大きな加工例２（図４）の曲げ管の軸線をそれぞれ示す。

ここで、曲率半径の大きな軸線５２ａを有する曲げ管を製造するには、形成すべき当該軸線５２ａ上に複数の点ａ０～ａ５を想定し、アーム１３の先端部（クランプ１５による金属管１の把持部／以下「クランプ点」と称する）がこれらの点ａ０～ａ５を通過するようにアーム１３の支軸１４を移動させれば良い。

すなわち、金属管１の推進（推進速度Ｖａ）によってアーム１３が旋回し、クランプ点が点ａ０から点ａ１に移動するまでの間は、原点０からＹ軸上の点ｂ１に到達するような移動速度Ｖｂでアーム１３の支軸１４を支軸移動装置３１によって移動させる。同様に、クランプ点が点ａ１から点ａ２に移動するまでの間は、点ｂ１からＹ軸上の点ｂ２に到達するような移動速度Ｖｂで支軸１４を動かす。以下同様に、クランプ点が点ａ２から点ａ３に移動するまでの間は、点ｂ２から点ｂ３に到達するような移動速度Ｖｂで、クランプ点が点ａ３から点ａ４に移動するまでの間は、点ｂ３から点ｂ４に到達するような移動速度Ｖｂで、クランプ点が点ａ４から点ａ５に移動するまでの間は、点ｂ４から点ｂ５に到達するような移動速度Ｖｂで、それぞれ支軸１４を移動させる。これにより、点ａ０～ａ５を通る軸線５２ａを有する曲げ管を製造することが出来る。なお、本実施形態では理解しやすくするため、６つの点（点ａ０～点ａ５）を想定したが、加工精度を高める観点から当該点は多いほど好ましい。

また、支軸１４の移動速度Ｖｂを上記加工よりさらに大きくすれば、上記支軸１４の各位置ｂ１～ｂ５がＹ軸上のより前方の位置にそれぞれ移動するようになるから、軸線５２ａよりさらに曲率半径の大きな軸線５３ａを有する曲げ管を製造することが出来る。つまり、支軸移動速度Ｖｂを推進速度Ｖａに近づける（ＶａとＶｂの差を小さくする）ほど曲率半径を大きくすることができ、逆に、推進速度Ｖａと支軸移動速度Ｖｂの差を大きくするほど曲率半径を小さくすることが出来る。

〔加工例３〕
また、全長に亘って一定の曲率半径を有するのではなく、曲率半径の異なる複数の区間を備えた曲げ管を製造することも可能である。例えば図６は２種類の曲率半径、すなわち、大きな曲率半径ｒ４を有する区間と、小さな曲率半径ｒ５を有する区間とを有する曲げ管を製造する例を示すものである。

具体的な加工方法としては、推進速度Ｖａを一定として加工を行う場合、曲率半径ｒ４の区間を形成する最初の期間は支軸移動速度Ｖｂを大きくし、その後、曲率半径ｒ５の区間を形成する間は支軸移動速度Ｖｂを小さくすれば（図６に示した例では当該期間ではＶｂ＝０としている）、大きな曲率半径ｒ４の区間と、小さな曲率半径ｒ５の区間を備えた曲げ管を製造することが出来る。

同様にして、曲率半径の異なる３以上の区間を備えた曲げ管を製造することも可能である。さらに、支軸移動速度Ｖｂを推進速度Ｖａに等しくすることにより直線状の区間を形成すること、あるいは、支軸を逆方向に（後方へ）移動することにより曲率半径が前記軸線５１ａの曲率半径より小さな区間を形成することも可能である。

また、本実施形態の加工装置では、曲げアーム１３の支軸１４ならびにクランプ１５を回転自在に備えたが、図６に符号４２，４３で示すように支軸１４またはクランプ１５に回転力を加える回転駆動装置（例えばモータ等）や、曲げ加工の進行に伴い生じる回転に対して制動力を加える制動装置（例えば機械的ブレーキ又はモータの回生ブレーキ等）を、支軸１４やクランプ１５に備えても良く、このような回転駆動装置や制動装置を備えることで、よりきめ細かい加工制御を行えるようにすることも可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

例えば、前記実施形態では動力源としてモータを使用したが、油圧または空気圧シリンダその他の動力源を使用しても良い。また、動力の伝達手段として前記実施形態ではピニオンとラックを用いたが、例えばスプロケットとチェーン、あるいは、ボールねじ等を使用することも可能である。さらに、前記実施形態の加工例では、金属管の推進速度Ｖａを一定速度としたが、本発明では推進速度Ｖａと支軸移動速度Ｖｂの速度差が重要であり、推進速度Ｖａは必ずしも一定でなくても良い。また、曲げ加工の対象は管状部材（中空部材）に限られず、例えば長尺の棒状部材（中実部材）を加工することも出来る。

１ 金属管
１ａ 金属管の軸線
１１ 曲げ加工装置
１２ 誘導加熱コイル
１３ 曲げアーム
１４ 曲げアームの支軸（旋回支軸）
１５ クランプ
１６ クランプの支軸（回転支軸）
２１ 推進装置
２２ 推進ロッド
２２ａ 推進アーム
２３ 推進装置本体部
２４ モータ
２５ 推進駆動部
３１ 支軸移動装置
３２ 支軸移動ロッド
３３ 支軸移動装置本体部
３４ モータ
３５ 支軸駆動部
４１ 制御部
４２ 支軸に加える回転力または制動力
４３ クランプに加える回転力または制動力

Claims (6)

1. 加工対象である金属条材の軸線方向の小区間を局部的に加熱する加熱装置と、
   前記金属条材の前記加熱装置による加熱部が曲げ変形された直後に当該加熱部を冷却する冷却装置と、
   前記金属条材を前記加熱装置に対し軸線方向に相対移動させる推進装置と、
   前記金属条材の前記加熱装置による加熱部より進行方向の先端側を把持するクランプを有するとともに、旋回支軸を中心として旋回可能な曲げアームと
   を有する金属条材の曲げ加工装置であって、
   前記クランプは、前記金属条材を前記旋回支軸に平行な軸回りに回転可能に把持し、
   前記曲げ加工装置は、前記推進装置により前記金属条材を前記加熱装置に対し相対移動させるときに同時に前記曲げアームの旋回支軸を前記金属条材の軸線方向に平行な方向へ移動させることが可能なアーム支軸移動装置をさらに備える
   ことを特徴とする金属条材の曲げ加工装置。
2. 前記推進装置と前記アーム支軸移動装置とが一体となっている
   請求項１に記載の金属条材の曲げ加工装置。
3. 前記アーム支軸移動装置は、前記推進装置による前記金属条材の相対移動速度より遅い速度で前記旋回支軸を前記軸線方向に平行な方向へ移動させる
   請求項１または２に記載の金属条材の曲げ加工装置。
4. 前記旋回支軸を中心とした前記曲げアームの旋回を促進する回転力および当該曲げアームの旋回を抑制する制動力のいずれか一方または双方を付与可能なアーム旋回駆動装置を前記曲げアームの基端部にさらに備えた
   請求項１から３のいずれか一項に記載の金属条材の曲げ加工装置。
5. 前記金属条材の前記クランプによる把持部に前記旋回支軸に平行な軸回りの回転力および制動力のいずれか一方または双方を付与可能なクランプ回転駆動装置を前記曲げアームの先端部にさらに備えた
   請求項１から４のいずれか一項に記載の金属条材の曲げ加工装置。
6. 加工対象である金属条材の軸線方向の小区間を加熱装置で局部的に加熱するとともに当該金属条材を前記加熱装置に対し軸線方向に相対移動させ、同時に前記金属条材の前記加熱装置による加熱部より進行方向の先端側を、旋回支軸を中心として旋回可能な曲げアームにより把持することにより、前記金属条材に曲げモーメントを付与して前記加熱部を前記旋回支軸に直角な平面内で曲げ変形させ且つ直後に冷却する、曲部を有する金属条材の製造方法であって、
   前記曲げアームによる前記金属条材の把持を、前記旋回支軸に平行な軸回りに前記金属条材が回転できるように行うとともに、
   前記金属条材の軸線方向への相対移動と同時に前記旋回支軸を、前記金属条材の軸線方向への相対移動速度より小さい速度で前記軸線方向に平行な方向へ移動させる
   ことを特徴とする曲部を有する金属条材の製造方法。

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